新型被動式煤礦井下環(huán)境安全監(jiān)測系統設計說明

1、 . .PAGE87 / NUMPAGES90目錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc358813659摘要 PAGEREF _Toc358813659 h 1HYPERLINK l _Toc358813660Abstract PAGEREF _Toc358813660 h 2HYPERLINK l _Toc358813661第1章緒論 PAGEREF _Toc358813661 h 3HYPERLINK l _Toc3588136621.1 研究背景 PAGEREF _Toc358813662 h 3HYPERLINK l _Toc3588136631.2 國外煤礦

2、安全監(jiān)測系統發(fā)展現狀 PAGEREF _Toc358813663 h 3HYPERLINK l _Toc3588136661.3 研究容和目的 PAGEREF _Toc358813666 h 4HYPERLINK l _Toc3588136671.4 方案總體概述 PAGEREF _Toc358813667 h 6HYPERLINK l _Toc358813668第2章系統主要應用理論概述 PAGEREF _Toc358813668 h 8HYPERLINK l _Toc3588136692.1 無線傳感網絡概述 PAGEREF _Toc358813669 h 8HYPERLINK l _To

3、c3588136702.2 ZigBee技術概述 PAGEREF _Toc358813670 h 9HYPERLINK l _Toc3588136712.3 ZigBee技術特點 PAGEREF _Toc358813671 h 10HYPERLINK l _Toc3588136722.4 ZigBee網絡配置與拓補結構 PAGEREF _Toc358813672 h 11HYPERLINK l _Toc3588136732.5 ZigBee技術的應用 PAGEREF _Toc358813673 h 12HYPERLINK l _Toc3588136742.6 幾種熱門短距離無線通訊技術比較 P

4、AGEREF _Toc358813674 h 13HYPERLINK l _Toc358813675第3章系統硬件選擇與設計 PAGEREF _Toc358813675 h 15HYPERLINK l _Toc3588136763.1 處理器的選型設計 PAGEREF _Toc358813676 h 15HYPERLINK l _Toc3588136793.2 溫濕度傳感器電路設計 PAGEREF _Toc358813679 h 17HYPERLINK l _Toc3588136803.2.1 DHT11傳感器概述 PAGEREF _Toc358813680 h 17HYPERLINK l _

5、Toc3588136813.2.2 DHT11傳感器引腳功能 PAGEREF _Toc358813681 h 18HYPERLINK l _Toc3588136823.2.3 傳感器電氣特性 PAGEREF _Toc358813682 h 18HYPERLINK l _Toc3588136833.2.4 DHT11應用電路原理與設計 PAGEREF _Toc358813683 h 19HYPERLINK l _Toc3588136843.3 瓦斯傳感器的選擇與應用電路設計 PAGEREF _Toc358813684 h 19HYPERLINK l _Toc3588136853.3.1 MQ-5

6、傳感器概述 PAGEREF _Toc358813685 h 19HYPERLINK l _Toc3588136863.3.2 傳感器規(guī)格參數 PAGEREF _Toc358813686 h 20HYPERLINK l _Toc3588136873.3.3 傳感器應用電路設計 PAGEREF _Toc358813687 h 22HYPERLINK l _Toc3588136883.4 語音報警電路設計 PAGEREF _Toc358813688 h 24HYPERLINK l _Toc3588136893.4.1 語音芯片概述 PAGEREF _Toc358813689 h 24HYPERLIN

7、K l _Toc3588136903.4.2 語音芯片管腳功能 PAGEREF _Toc358813690 h 25HYPERLINK l _Toc3588136913.4.3 語音芯片應用電路設計 PAGEREF _Toc358813691 h 26HYPERLINK l _Toc3588136923.4.4 功放電路設計 PAGEREF _Toc358813692 h 26HYPERLINK l _Toc3588136933.5 節(jié)點電路設計 PAGEREF _Toc358813693 h 29HYPERLINK l _Toc3588136943.5.1 網絡協調器節(jié)點電路設計 PAGER

8、EF _Toc358813694 h 29HYPERLINK l _Toc3588136953.5.2 終端設備電路原理圖設計 PAGEREF _Toc358813695 h 34HYPERLINK l _Toc358813696第4章系統軟件設計 PAGEREF _Toc358813696 h 38HYPERLINK l _Toc3588136974.1 系統軟件開發(fā)平臺 PAGEREF _Toc358813697 h 38HYPERLINK l _Toc3588136984.2 TI Z-Stack軟件架構 PAGEREF _Toc358813698 h 39HYPERLINK l _To

9、c3588136994.2.1 協議棧結構 PAGEREF _Toc358813699 h 39HYPERLINK l _Toc3588137004.2.2 ZigBee網絡層 PAGEREF _Toc358813700 h 40HYPERLINK l _Toc3588137014.2.3 ZigBee應用層 PAGEREF _Toc358813701 h 40HYPERLINK l _Toc3588137024.2.4 ZigBee協議棧在IAR中項目組織 PAGEREF _Toc358813702 h 41HYPERLINK l _Toc3588137034.3 人員定位系統設計思路 PA

10、GEREF _Toc358813703 h 42HYPERLINK l _Toc358813707第5章本質安全型防爆 PAGEREF _Toc358813707 h 45HYPERLINK l _Toc3588137085.1 防爆的基本概念 PAGEREF _Toc358813708 h 45HYPERLINK l _Toc3588137125.2 本質安全型防爆技術 PAGEREF _Toc358813712 h 46HYPERLINK l _Toc3588137165.3 電路放電火花 PAGEREF _Toc358813716 h 48HYPERLINK l _Toc35881371

11、75.4 本系統設備本質安全性能評估 PAGEREF _Toc358813717 h 50HYPERLINK l _Toc358813718第6章系統設計成果展示 PAGEREF _Toc358813718 h 51HYPERLINK l _Toc358813719結論 PAGEREF _Toc358813719 h 58HYPERLINK l _Toc358813720參考文獻 PAGEREF _Toc358813720 h 59HYPERLINK l _Toc358813721附錄A PAGEREF _Toc358813721 h 60HYPERLINK l _Toc358813722附錄

12、B PAGEREF _Toc358813722 h 62HYPERLINK l _Toc358813723致 PAGEREF _Toc358813723 h 74HYPERLINK l _Toc358813724外文文獻 PAGEREF _Toc358813724 h 75HYPERLINK l _Toc358813725中文翻譯 PAGEREF _Toc358813725 h 82新型被動式煤礦井下環(huán)境安全監(jiān)測系統設計摘要：我國煤礦大多數為礦工開采,不安全因素很多,瓦斯煤塵和火災等災害事故頻繁發(fā)生,災害事故危害嚴重,傷害人員多,災后搜救刻不容緩，因此,研究煤礦救災新裝備是一項緊迫任務,機器人

13、將被應用到煤礦救災領域是一種趨勢。但礦井搜救機器人在通訊、避障和機械可靠性等方面的技術不夠完善。本文將開發(fā)一種基于仿生蜘蛛機器人與ZigBee無線網絡的煤礦井下搜救探測蜘蛛機器人技術與系統研究。借用越障優(yōu)勢極強的蜘蛛機器人為平臺，以SI4432技術為核心遠程操控蜘蛛機器人進入煤礦井下搜救，在搜救過程中采用RSSI（Received Signal Strength Indication）算法計算信號強度，沿途自動播撒SI4432無線數傳模塊作為信號中轉基站，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，建立無線通訊網絡，通過機器人身上一系列的紅外夜視儀、工業(yè)攝像頭、瓦斯傳感器，溫濕

14、度傳感器等，將現場的情況一一反應給外界操作人員，地面指揮人員可通過PC、智能手機等一系列的設備經行接收，確定最佳救援方案。同時還能攜帶有食品、 水、 藥品、 救護工具等救助物資， 使受害者能夠積極開展自救。通過深入了解蜘蛛機器人和無線傳感器網絡SI4432技術與其在煤礦井下的應用，目的在于改進現階段國一些煤礦井下搜救設備，從而提高礦井災后搜救水平和安全搜救效率，同時為今后進一步研究和實際應用打下良好基礎。設計過程通過指導老師的耐心指導，同學之間的商討以與借閱和搜集到的資料，使得本次設計達到了預期的結果。關鍵詞：ZigBee技術；CC2430；煤礦；安全監(jiān)測Design of a new pas

15、sive environment of underground coal mine safety monitoring systemAbstract：With the rapid growth in coal demand, coal industry in China has also been a great development, but the coal mine safety accidents occur frequently, which is a very important reason is that the current safety monitoring syste

16、m of coal mine environment is not perfect.This design will develop a new ZigBee technology based on the mobile, passive monitoring system of mine gas and temperature and humidity. Using CC2430/CC2431s TI chip as the control core, the overlap of gas sensor MQ-5 and the temperature and humidity sensor

17、 DHT11 to collect coal mine gas concentration and temperature and humidity, with 8051 microcontroller embedded in CC2430 data processing, realize the wireless communication and node localization based on Z-Stack protocol using CC2430/ CC2431 data transmission function and RSSI algorithm.Through the

18、field bus technology and well on PC communication, the gas concentration measurement and air temperature, humidity measurement are combined, the monitoring personnel can be more comprehensive, real-time understanding of the state of the environment, to a greater extent to ensure the safety of coal m

19、ine.Through in-depth understanding of wireless sensor network and ZigBee technology and its application in the coal mine, aims to improve the present domestic some underground environment of coal mine safety monitoring system, so as to improve the safety production of the coal mine safety production

20、 management level and efficiency, at the same time, a good foundation for further research and practical application.The design process through the guidance of the teachers patient guidance, collected between students discuss and lending and information, so that the design achieves the expected resu

21、lts.Keywords: ZigBee; CC2430; coal mine; safety monitoring第1章 緒論1.1 研究背景能源工業(yè)在國家經濟發(fā)展中起著舉足輕重的作用，近些年來，隨著石油資源的緊、石油價格的不斷飄升，煤炭行業(yè)的重要性和不可替代性也日益顯現。我國礦藏十分豐富，煤炭儲量位居世界第一位。從近期統計數據來看，我國可用煤炭儲量僅去年就新增1320億噸。我國煤炭資源非常豐富，煤炭是我國能源結構中的命脈所在。煤礦安全生產在我國國民經濟安全生產中占有重要的地位。然而，我國煤礦與世界各主要產煤大國比較，開采安全問題較多，礦井下地質構造比較復雜，而且自然災害也頻頻發(fā)生。近年來，

22、我國煤礦事故仍然較多，個別地區(qū)重、特大事故常有發(fā)生。據不完全統計，近幾年來，中國煤炭產量占全球產量的50%以上，但是煤礦事故傷亡人數卻占全球傷亡總人數80%。輕則造成經濟損失，重則造成人員傷亡，所以煤礦生產中的最關鍵的問題就是安全問題。不斷加強災害預防、事故救助等措施己成為煤炭安全生產中當務之急。隨著我國日益重視煤礦安全生產工作，礦井人員定位、煤礦現代化管理、煤礦安全監(jiān)測系統越來越體現出其重要性，實現井下環(huán)境參數（如瓦斯、溫度、濕度）的實時監(jiān)測和井下人員定位在安全生產中尤為重要。國各大煤礦企業(yè)也陸續(xù)開始研究部署煤礦井下作業(yè)人員和作業(yè)環(huán)境的監(jiān)管監(jiān)測系統。1.2 國外煤礦安全監(jiān)測系統發(fā)展現狀1.2

23、.1 國外煤礦安全監(jiān)控系統的現狀隨著網絡技術和通信技術的發(fā)展, 國外新推出的礦井監(jiān)測系統均采用基于開放系統互連標準模型的集散系統結構。系統由現場測控分站和控制中心主站組成。系統支持多種互連標準, 方便地組成多節(jié)點的安全監(jiān)測監(jiān)控網絡, 實現系統間的通信和數據共享。安全監(jiān)測監(jiān)控可由原來單一的監(jiān)測監(jiān)控向綜合自動化方向發(fā)展。全礦井綜合監(jiān)測控制系統有代表性的產品有美國MSA 公司生產的DAN6400 系統, 德國BEBRO 公司的PROMOS 系統等。1.2.2 我國煤礦安全監(jiān)控系統的現狀（1）通信協議不規(guī)由于現有生產廠家的監(jiān)控系統的通信協議均互不兼容, 沒有一個符合礦井電氣防爆等特殊要求的總線標準,

24、從而造成不同廠商的設備無法兼容, 無法共享傳輸電纜。因此, 通信協議不規(guī)的后果是造成設備重復購置、受制于人、不能隨意進行軟和硬件升級改造。（2）井下信息傳輸設備物理接口協議不規(guī)如煤炭科學研究總院分院的KJF2000 和瑞賽長城航空測控技術的KJ2000 這兩種系統, 盡管均采用FSK 技術, 以與信息傳輸波特率均為1 200 bps 或2 400 bps, 但其傳輸信息的調制頻率不同和傳輸信息的收發(fā)電壓幅值不同也造成這兩種系統的分站不能兼容。（3）智能傳感器性能差與系統配接的CH4和CO傳感器，已成為礦井瓦斯綜合治理和監(jiān)測煤炭自燃發(fā)火等災害的關鍵技術裝備, 并越來越受到使用單位和研究人員的普遍

25、重視。據統計, 國產安全監(jiān)測用CH4傳感器和CO傳感器, 長期以來所用敏感元件一直存在使用壽命短、工作穩(wěn)定性差、零點漂移、靈敏度漂移以與制作工藝水平低、元件一致性差的缺點, 從而嚴重制約著礦井瓦斯、一氧化碳的正常檢測, 與國外同類傳感器相比較差距很大。（4）診斷功能有待加強作為管理維護監(jiān)控系統的輔助手段, 部分系統只能對系統的通訊狀況診斷, 不能詳細地判斷故障的性質和故障點, 而實際工作中要求能判斷出分站、傳感器或電纜故障之間或短路報警與真實超限之間區(qū)別, 為維護人員提供故障的類型和方位, 以便于迅速處理故障。（5）現有監(jiān)控系統不具備煤礦事故決策支持系統的功能, 無法對煤礦事故進行預報、預警與

26、向用戶提供避免事故的對策和方案。礦井終端監(jiān)控設備缺乏黑匣子功能, 因而也不能對事故起因分析提供有效證據。1.3 研究容和目的針對有線網絡難以動態(tài)、全方位監(jiān)控煤礦的問題。采用ZigBee 技術構建基于無線傳感器網絡的新型煤礦監(jiān)控系統。該移動終端節(jié)點直接固定在礦工的安全帽上，采用2節(jié)AA電池供電?？蓪崿F對煤礦入井人員的實時跟蹤監(jiān)控和定位。隨時掌握井下每個作業(yè)人員的位置與活動軌跡，并對其所在位置進行溫濕度和瓦斯?jié)舛葯z測。對保證煤礦安全生產有著重要的現實意義。本設計題目新型被動式煤礦井下環(huán)境安全監(jiān)測系統設計，是對所學的電氣工程與其自動化專業(yè)知識的一次全面而又徹底的實戰(zhàn)性檢驗?？疾鞂W生對所學知識熟悉的全

27、面性、深入性、專業(yè)性與應用的實踐性。本設計題目的主要容涉與：1) ZigBee節(jié)點、各傳感器與語音報警電路的硬件電路設計；2) 介紹ZigBee網絡的組成形式，網絡拓撲結構，應用場所等；3)各傳感器的性能分析；4)礦井人員定位系統的設計；5)各軟件控制系統的程序分析，流程設計；目的要求與主要技術指標：1)能夠準確的測量礦工所處位置的實時溫濕度；2)能夠準確進行瓦斯?jié)舛犬惓缶?)能夠準確的對礦下工人進行定位；4)所有井下安裝設備必須低功耗、低溫度、防爆；5)要能夠實現通過有線和無線網絡與井上進行實時通信，使井上監(jiān)控人員能夠實時全面地了解井下的情況。應完成的主要任務：1)完成設計說明書，字數在

28、1.52萬字。2)完成相應的控制系統電路原理圖、設備布置圖和程序流程圖等。3)應用zigbee技術建立無線傳感網絡，完成無線信息傳輸。4)完成硬件對應的軟件程序設計。5)將檢測部分、控制部分與無線傳感網絡有機結合形成一套完整實時監(jiān)測系統。目的和意義：合理設計裝置技術路線和電路，完成具有瓦斯?jié)舛葴y量、溫度、濕度測量，并具有通信功能的檢測裝置，將所有材料以文字形式體現出來，并制作出具有一定演示效果的實驗室階段作品。這是對設計者的一次全面的實踐性考察，通過這次設計能夠很好的提高自身分析問題和解決問題的能力，對于提高設計者綜合素質和以后工作的嚴謹作風有十分重要的意義。1.4 方案總體概述本系統基于Zi

29、gBee技術構建，分為井上部分和井下部分。如圖1.1所示。ZigBee網絡的應用體現在井下部分。接入節(jié)點用于引入ZigBee網絡，其主要固定在主巷道，各節(jié)點用雙絞線連接，接入光纖數據傳輸接口，將電信號轉化為光纖傳輸的光信號，傳輸至井上。路由節(jié)點固定在除主巷道的其它需要進行檢測的巷道?？山邮諄碜砸苿咏K端的數據，并路由至接入節(jié)點。通過對各固定終端的布置，在井下巷道建立了ZigBee網絡。當礦工進入井下ZigBee網絡時，隨身攜帶的移動終端將自動與接入節(jié)點或路由節(jié)點連接，并隨著礦工的移動隨時檢測當地的溫濕度，瓦斯?jié)舛群推湮恢?，將這些信息通過固定節(jié)點上傳至地面監(jiān)控主機。井上部分主要用來對由井下部分的傳

30、來的信息進行處理，監(jiān)控。監(jiān)控主機用來運行上位機管理軟件，管理者通過屏幕可以實時掌握井下情況。通過集線器可以連接上服務器與數據存儲數據庫，供監(jiān)管部門通過Internet遠程監(jiān)控。1終端設備 2參考節(jié)點 3以太網交換機 4路由節(jié)點圖1.1 方案總體結構1.4 章節(jié)安排與其容第1章：緒論；第2章：對本設計所用到的主要技術ZigBee技術進行簡單介紹，包括無線傳感器網絡，ZigBee技術的特點，網絡組成以與應用；第3章：整個系統的硬件電路的設計，包括zigbee硬件電路、傳感器電路、報警電路以與RS232通信電路等。第4章：系統軟件部分設計，包含Z-Stack軟件框架介紹、基于RSSI的定位算法。第5

31、章：作為井下用電子設備，一個不可避免的問題防爆。本章引用了防爆的基本概念，來介紹了本質安全防爆技術，并且分析了井下電子設備主要影響了本質安全性能的器件。最后說明了本次所設計的設備需要注意的地方。第6章：展示本設計在實驗室階段的測試成果。附錄A：系統總電路圖。附錄B：系統部分程序代碼。第2章 系統主要應用理論概述2.1 無線傳感網絡概述無線傳感器網絡（wireless sensor networks,WSN）是當前在國際上備受關注的、涉與多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。它綜合了傳感器、嵌入式計算、現代網絡與無線通信和分布式信息處理等技術，能夠通過各類集成化的微型傳感器協同完成對各

32、種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息的實時監(jiān)測、感知和采集，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端，從而實現物理世界、計算世界以與人類社會這三元世界的連通。 20世紀70年代，第一代傳感器網絡出現，使用具有簡單信息信號獲取能力的傳統傳感器，采用點對點傳輸、連接傳感控制器構成傳感器網絡；隨著相關學科的不斷發(fā)展和進步，傳感器網絡同時還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，并通過與傳感器控制器的相聯，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網絡，這是第二代傳感器網絡；第三代傳感器網絡出現在20世紀90年代后期和21世紀初，用具有智能獲取多種信息信號的傳感器，采用現場總線連接傳感器控制器，構成局

33、域網絡，成為智能化傳感器；第四代傳感器網絡正在研究開發(fā)，用大量的具有多功能、多信息信號獲取能力的傳感器，采用自組織無線接入網絡，與傳感器網絡控制器連接，構成無線傳感器網絡，無線傳感器網絡是新一代的傳感器網絡。作為新一代的傳感器網絡，目前全世界各國都十分重視無線傳感器網絡的發(fā)展，IEEE正在努力推進無線傳感器網絡的應用和發(fā)展，波士頓大學（Boston University）還創(chuàng)辦了傳感器網絡協會（Sensor Network Consortium），以促進傳感器聯網技術開發(fā)。在“中國未來20年技術預見研究”中總共157個技術課題，其中有7項是直接論述傳感網絡的。2006年初發(fā)布的國家中長期科學與

34、技術發(fā)展規(guī)劃綱要為信息技術確定了3個前沿方向，其中兩個與無線傳感器網絡的研究直接相關，即智能感知技術和自組織網絡技術?？梢灶A計，無線傳感器網絡的廣泛應用將是一種必然趨勢。我國無線傳感器網絡與其應用研究與國際同步，目前國的許多高校也掀起了無線傳感器網絡的研究熱潮。清華大學、中國科技大學、解放軍信息工程大學、大學、交通大學、華中科技大學等高校紛紛開展了有關無線傳感器網絡方面的基礎研究工作。一些高科技企業(yè)，如中國移動、華為、中興等大型企業(yè)，也加入了研究行列。如果說Internet構成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么，無線傳感器網絡就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起

35、，改變人類與自然界的交互方式。人們可以通過傳感器網絡直接感知客觀世界，從而極擴展現有網絡的功能和人類認知世界的能力。他不僅在工業(yè)、農業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統領域具有巨大的運用價值，在未來還將在許多新興領域體現其優(yōu)越性，如煤礦生產、家用、保健、交通等領域。我們可以大膽的預見，將來無線傳感器網絡將無處不在，將完全融入我們的生活。例如，微型傳感器網最終可能將家用電器、個人計算機和其他日常用品同互聯網相連，實現遠距離跟蹤控制，家庭采用無線傳感器網絡用作安全調控、節(jié)電等。無線傳感器網絡將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網絡，其應用可以涉與人類日常生活和社會生產活動的所有領域。無線傳感器網絡是一種全新的

36、信息獲取平臺，能夠實時監(jiān)測，恰恰符合礦井環(huán)境安全監(jiān)測和實時跟蹤功能，通過采集網絡分布區(qū)域移動人員的環(huán)境參數和位置信息，并將這些信息發(fā)送到路由節(jié)點，以實現復雜的指定圍目標環(huán)境檢測與跟蹤，并通過有線網絡將信息快速的傳遞到礦井監(jiān)控中心，有利于監(jiān)控中心管理井下人員，當緊急情況發(fā)生，能快速撤離或營救井下人員，保證人的生命安全。2.2 ZigBee技術概述ZigBee技術是一種具有統一技術標準的短距離無線通信技術，其PHY層和MAC層協議采用IEEE802.15.4協議標準，網絡層由ZigBee技術聯盟制定，應用層的開發(fā)應用根據用戶自己的應用需要，對其進行開發(fā)利用，因此該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網

37、方式。其利用全球共用的公共頻率2.4 GHz,在頻段2.4GHz,ZigBee技術有16個速率為250kbps的信道。對于各種傳感器，智能測控，智能標記和家電設備，該速率完全可以滿足要求。應用于監(jiān)視、控制網絡時,其具有非常顯著的低成本、低功耗、網絡節(jié)點多、大容量網絡等優(yōu)勢。目前被視為替代短距離有線監(jiān)視和控制網絡領域最有前景的技術之一。本設計利用ZigBee技術的自組網技術來實現識別礦井行進人員在不同區(qū)域的行進與停留，以與對當地的溫濕度和瓦斯?jié)舛冗M行檢測。對于一般的煤礦具有很強的應用價值。什么是ZigBee技術所采用的自組網技術？舉一個簡單的例子就可以說明這個問題，當一隊傘兵空降ZigBee自組

38、織網通信方式后，每人持有一個ZigBee網絡模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網絡模塊的通信圍，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯互通的ZigBee網絡。而且，由于人員的移動，彼此間的聯絡還會發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯絡，對原有網絡進行刷新。這就是自組織網。2.3 ZigBee技術特點ZigBee技術的特點包括以下幾方面，見下表：表2.1 ZigBee技術的主要特點序號特點概述1高可靠性采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬通信業(yè)務預留了專用時隙 避免了發(fā)送數據時的競爭和沖突，節(jié)點之間動態(tài)組網。2速率低只有10kBit/s到250kBit/s 專

39、注于低傳輸應用。3優(yōu)良的網絡拓補能力ZigBee設備具有無線網路自愈能力，具有星狀、樹狀和網狀網絡結構的能力。因此通過網絡拓補能簡單的覆蓋廣闊圍。4網絡容量大可支持達65000個節(jié)點。5成本低ZigBee的數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本。6有效圍大有效覆蓋圍1075m之間（通過功放可在低功耗條件實現1000m以上通信距離）。7安全性高ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能 加密算法采用通用AES-128，具有高性：64位出廠編號。8功耗低在低耗電待機模式，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月到2年。9時延短針對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延非常短，通常時延都

40、在1530ms之間。10工作頻率靈活使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz(歐洲)與915MHz(美國) 均為免執(zhí)照頻段ZigBee技術和RFID技術在2004年就被列為當今世界發(fā)展最快、市場前景最廣闊的十大最新技術中的兩個。今后若干年，都將是ZigBee技術飛速發(fā)展的時期。2.4 ZigBee網絡配置與拓補結構ZigBee網絡的器件類型從功能上分簡化功能設備RFD(Reduced Function Device)和全功能設備FFD(Full Function Device)。表2.2 ZigBee器件的功能分類設備類型拓撲類型功能描述全功能設備（FFD）星型網狀樹狀可為個人域網協調器(P

41、ersonal Area Network Coordinator，PAN Coordinator)、協調器(Coordinator)和終端設備(Device)，可以與任何設備通信。精簡功能設備（RFD）星型可以用最低端的MCU實現，在網絡里一般作為不需要發(fā)送大量數據的終端設備，其只能和全功能設備通信。僅需消耗很少的資源和存儲開銷。從邏輯上劃分：ZigBee網絡由三種設備組成，分別為協調器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設備（End Device）。IEEE 802.15.4協議中規(guī)定的三種設備中最復雜的一種是ZigBee協調器。在這3種設備中，協調器的計算能力最強、存儲

42、容量最大，因此被稱為FFD全功能設備。ZigBee協調器負責建立網絡和ZigBee網絡的初始化，分配網絡工作的信道、標識個人域網和分配64位地址等功能。與IEEE 802.15.4定義的協調器類似，ZigBee路由器也是全功能設備，有64位路由地址，允許在無線通信圍的終端節(jié)點離開或者加入網絡，具有存儲、路由和轉發(fā)數據等功能。ZigBee終端設備由全功能設備或簡化功能設備構成，與父節(jié)點進行通信，并從其父節(jié)點獲得短地址、網絡標識符等信息。ZigBee網絡的拓撲結構：ZigBee網絡支持的網絡拓撲結構有三種，分別是樹狀型、星型、網狀，如圖2.1所示。圖2.1 網絡層拓樸結構圖如果要組建一個無線網絡，

43、每個子網絡可以最多255個節(jié)點，不同的網絡之間能夠互連，從而對網絡進行擴充。每個子網由一個協調器節(jié)點責任，ZigBee終端設備擔當葉子節(jié)點。一種可靠的ZigBee無線網絡，與CDMA和GSM比較類似。類似于移動網絡基站的ZigBee數傳模塊。無線通信距離從標準的75m進行擴展，幾百米、甚至幾公里，可以無限擴展。ZigBee網絡中無線數據傳輸模塊可多達65000個，組成的一個無線網絡平臺，在這個ZigBee無線網絡圍，每一個數據傳輸模塊之間可以相互通信。與移動通信的GSM網或CDMA網相比，ZigBee無線網絡和他們存在一些不同的之處，ZigBee網絡主要用于工業(yè)現場自動化控制數據傳輸，具有使用

44、方便、工作可靠等特點。建立移動通信網，每個基站都會花費在百萬元人民幣以上，而ZigBee模塊卻花費不到500元人民幣。ZigBee網絡中節(jié)點本身可以自動中轉其他的網絡節(jié)點傳過來的數據信息，而且可以作為監(jiān)控對象。在ZigBee網絡中每一個FFD（全功能器件）節(jié)點在自己信號覆蓋的圍，與多個沒有信息中轉任務的孤立的子節(jié)點RFD（簡化功能器件）進行無線連接。2.5 ZigBee技術的應用ZigBee是一種低成本、低功耗、低速率、短距離無線網絡技術，凡是具有上述特征或要求的場合都可以應用。ZigBee技術彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關鍵在于豐富而便捷的應用，而不是技術本身。隨

45、著正式版本的協議的公布，更多的注意力和研發(fā)力量將轉到應用的設計和實現、互聯互通測試和市場推廣等方面。我們有理由相信在不遠的將來，將有越來越多的置ZigBee功能的設備進入工業(yè)、生活，并將極改善我們的生活方式和生活水平。ZigBee技術可應用場合：（1）數字家庭領域。可以應用于家庭的照明、溫度、安全、控制等。ZigBee模塊可安裝在電視、燈泡、遙控器、兒童玩具、游戲機、門禁系統、空調系統和其他家電產品等。（2）工業(yè)領域。通過ZigBee網絡自動收集各種信息，并將信息回饋到系統進行數據處理與分析，以利于工廠對整體信息的掌握，例如火警的感測和通知、照明系統之感測、生產機臺的流程控制等。（3）智能交通

46、。如果沿著街道、高速公路與其他地方分布式地裝有大量ZigBee終端設備，你就不再擔心會迷路。安裝在汽車里的器件將告訴你當前所處位置、正向何處去。（4）醫(yī)療領域。將各種傳感器與ZigBee設備結合在一起，可以與時、準確、方便、實時地對患者的血壓、脈搏、體溫等生命特征進行監(jiān)測，從而使醫(yī)護人員作出有效、快速反應，準確診斷病情，與時挽救危重病人。（5）環(huán)境監(jiān)測。在氣象、環(huán)保領域，可以將ZigBee網絡與其他的通信技術（如GSM/GPRS）結合起來，采集某特定區(qū)域中的溫度、氣壓、降雨、噪聲、大氣成分等有效數據。這里眾多的ZigBee設備負責各點的數據采集，由ZigBee協調器進行集中，然后再使用GSM等

47、將采集的數據傳送到監(jiān)測中心。（6）安全保障。在機場、地鐵、火車站、大型商場等公共場所，加裝能夠感知各種氣味的ZigBee傳感器網絡系統，就可以時刻監(jiān)測汽油、爆炸物等危險物品是否被非法攜帶，并且根據網絡定位技術與時準確的定位物品所在位置，保障人員安全。同時也可以將ZigBee節(jié)點安放在某些重要設備部，可以起到防止設備失竊，或在失竊條件下與時對設備進行跟蹤，保障財產安全。2.6 幾種熱門短距離無線通訊技術比較目前，短距離無線通信技術除ZigBee技術外還有Bluetooth（藍牙）、IEEE802.1lb、IEEE802.1la、IEEE802.1lg、RFID、HomeRF、DECT、紅外等。下

48、面表格就以上列出幾種技術進行比較。表2.3 幾種短距離無線通信技術的比較規(guī)工作頻段最大功耗設備數支持組織主要用途ZigBee868/915MHz 2.4GHz13mWZigBee聯盟家庭網絡、控制網絡、傳感器網絡紅外820nm數mW2IrDA透明可見圍的數據傳輸，近距離遙控DECT1.881.9GHz幾十mW12歐洲家庭話音與數據無線連接HoneRF2.4GHz100mW127HomeRF家庭無線局域網藍牙2.4GHz1100mW7BluetoothSIG個人局域網802.11b2.4GHz100mW255IEEE802.11b無線局域網802.11a2.4GHz100mW255IEEE802

49、.11a無線局域網802.11g2.4GHz100mW255IEEE802.11g無線局域網RFID2.4GHz不需要供電2澳大利亞零售組織等超市、物流管理第3章 系統硬件選擇與設計3.1 處理器的選型設計3.1.1 CC2430/31芯片資料圖3.1 CC2430芯片管腳圖CC2430/CC2431是全球領先的半導體巨頭儀器（TI）公司收購領先的短距低功率無線射頻（RF）收發(fā)器設備的設計公司Chipcon后推出的全球首個真正意義上的系統與芯片ZigBee解決方案，是一款真正符合IEEE802.15.4和ZigBee標準的SoC（System on Chip，片上系統）產品。CC2430和業(yè)領

50、先的ZigBee協議棧Z-Stack一起提供了市場上最具競爭力的ZigBee解決方案。CC2430除了包括RF收發(fā)器外，還集成了增強型8051MUC、32/64/128KB的Flash存儲器、8KB的RAM、AES-128安全協處理器以與ADC、DMA、看門狗定時器等。CC2430工作在2.4GHz頻段，采用低電壓（2.03.6V）供電且功耗很低，接收信號靈敏度高達-92dBm、最大發(fā)射功率+dBm、最大傳輸速率為250kbps。CC2430硬件支持CSMA/CA和RSSI/LQI功能，為開發(fā)檢測、跟蹤定位系統提供了技術保證。CC2430芯片的主要特點如下：（1）高性能和低功耗的8051微控制

51、器。（2）集成符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz的RF無線接收器。（3）優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性。（4）在休眠模式時僅0.9A的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統；在待機模式時少于0.6A的流耗，外部的中斷能喚醒系統。（5）硬件支持CSMA/CA功能。（6）較寬的工作電壓圍（2.03.6V）。（7）數字化的RSSI/LQI（Link Quality Indication）支持和強大的DMA功能。（8）集成了14位數模轉換的ADC。（9）具有電池監(jiān)測和溫度感測功能。3.1.2 CC2430最小系統應用電路CC2430 芯片需要很少的外圍部件配合就能實現信號的收發(fā)功能。圖3

52、.2為CC2430 芯片的最小系統電路。圖3.2 CC2430最小系統電路電路使用一個非平衡天線,連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C22和電感L1、L2、L3以與一個PCB 微波傳輸線組成，整個結構滿足RF 輸入/輸出匹配電阻(50 )的要求。部T/R 交換電路完成LNA 和PA 之間的交換。R1和R2為偏置電阻，電阻R2主要用來為32 MHz 的晶振提供一個合適的工作電流。用1 個32 MHz 的石英諧振器（XTAL1）和2 個電容（C26和C27）構成一個32 MHz 的晶振電路。用1 個32.768 kHz 的石英諧振器（XTAL2）和2 個電容（C15和C1

53、6）構成一個32.768 kHz 的晶振電路。電壓調節(jié)器為所有要求1.8 V 電壓的引腳和部電源供電，C19和C21 電容是去耦合電容,用來電源濾波,以提高芯片工作的穩(wěn)定性。3.2 溫濕度傳感器電路設計溫濕度傳感器采用單總線輸出的高精度DHT11數字溫濕度傳感器，其幾乎不需要外圍電路即可直接和控制芯片串行相連，進行數據的采集傳輸。3.2.1 DHT11傳感器概述圖3.3 DHT11傳感器實物照片DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NT

54、C測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP存中，傳感器部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。產品為 4 針單排引腳封裝。3.2.2 DHT11傳感器引腳功能 1 2 3 4表3.1 DHT11引腳說明引腳名稱注釋1VDD供電 35.5VDC2DATA串行數據，單總線3NC空腳，請懸空4GND接地

55、，電源負極3.2.3 傳感器電氣特性表3.2 DHT11電氣特性說明參數條件mintypmax單位供電DC355.5V供電電流測量0.52.5mA平均0.21mA待機100150uA采樣周期秒1次注:采樣周期間隔不得低于1秒鐘。3.2.4 DHT11應用電路原理與設計圖3.4 DHT11典型應用電路說明：在DATA（2 Pin）連接線長度短于20米時用5K上拉電阻,大于20米時根據實際情況使用合適的上拉電阻。圖3.5 本設計應用DHT11電路電路板實際連線，VCC引腳連接2節(jié)5號電池輸出的電源線正極上，DATA引腳連接CC2430的P0.0引腳，NC引腳懸空，GND引腳連接電池負極上。數據通過

56、DATA引腳串行輸出到CC2430芯片就行處理，發(fā)送。3.3 瓦斯傳感器的選擇與應用電路設計3.3.1 MQ-5傳感器概述瓦斯傳感器采用以金屬氧化物二氧化錫為主體材料的N型半導體氣敏元件MQ-5，當元件接觸還原性氣體時，其電導率隨氣體濃度的增加而迅速升高。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。圖3.6 MQ-5外形尺寸圖MQ-5傳感器對甲烷、丙烷、丁烷的靈敏度高，對甲烷和丙烷可較好的兼顧。這種傳感器可檢測多種可燃氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。圖3.7 MQ-5結構圖如圖3.7所示(結構A 或 B), 由微型Al2O3瓷管、SnO2 敏感層,測量電極和加熱

57、器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有只針狀管腳，其中個用于信號取出，個用于提供加熱電流。3.3.2 傳感器規(guī)格參數表3.3 標準工作條件符號參數名稱技術提交備注Vc回路電壓24VDCVH加熱電壓5.0V0.AC或DCRL負載電阻可調RH加熱電阻313室溫PH加熱功耗900mW表3.4 環(huán)境條件符號參數名稱技術條件備注Tao使用溫度-1050Tas儲存溫度-2070RH相對濕度小于 95% RH氧氣濃度21%(標準條件)氧氣濃度會影響靈敏度特性最小值大于2%表3.5 靈敏度特性符號參數名稱技術條件備注Rs敏感體表面電阻2K-20K

58、（2000ppm）使用圍300-10000ppm甲烷、丙烷、丁烷、氫氣（/)濃度斜率標準工作條件預熱時間溫 度： 202Vc:5.0V0.1V相對濕度： 65%5%VH: 5.0V0.1V不少于48小時敏感體公式功耗(Ps)值計算公式： (3.3.1)傳感器電阻(Rs)值計算公式： (3.3.2)3.3.3 傳感器應用電路設計圖3.8 MQ-5測試電路圖圖3.8是傳感器的基本測試電路。該傳感器需要施加2個電壓：加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC）。其中 VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC 則是用于測定與傳感器串聯的負載電阻（RL）上的電壓（VRL）。這種傳感器具有輕微的極性，VC需用直流

59、電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當的RL值。本設計根據此傳感器的技術參數與性能說明設計出如下電路：圖3.9 MQ-5電路原理設計電路圖說明：H兩端是加熱電源5V，因為CC2430移動終端電路板供電電壓為3.3V，所以參考電壓為3.3V，VCC3.3V當做測試電壓接在A端，B端根據實際瓦斯氣體濃度輸出相對應的模擬量電流值。通過DATA_MQ_5輸出至射頻單片機CC2430的P1.4口，通過芯片部AD轉換，將模擬量轉換為數字量，通過CC2430的通信功能將數值傳送至協調器進行處理。后半部分電路功能是根據機械調節(jié)比較值，設置瓦

60、斯?jié)舛葓缶?。通過調節(jié)RP2設置比較器參考電壓，通過電壓比較器LM393芯片，將瓦斯?jié)舛入妷褐蹬c報警參考值進行比較，正常情況下LM393的1引腳輸出高電平，一旦瓦斯?jié)舛瘸^報警值，即MQ-5傳感器的B口輸出電流在RP1上產生的壓降超過RP2的參考電壓，LM393的1引腳輸出低電平。產生報警信號，傳給控制芯片進行相應的處理。下兩圖（圖3.10和圖3.11）為瓦斯傳感器電路改進前和改進后電路板對比。圖3.10 瓦斯傳感器改進前電路圖3.11 瓦斯傳感器改進后電路3.4 語音報警電路設計語音報警電路通過ZigBee路由節(jié)點控制，一旦工人所處位置瓦斯?jié)舛瘸瑯?，移動終端節(jié)點就會發(fā)信息給路由節(jié)點，通過路由